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Die Erfindung betrifft die Helligkeits-
und Farbregelung bei Projektionsapparaten. Projektionsapparate dienen
zum Projizieren eines Bildes auf einen Projektionsschirm. Die Erfindung
richtet sich auf Projektionsapparate, die einen pixelweise steuerbaren Bildgeber
zum Darstellen des Bildes in einem verkleinerten Maßstab, eine
Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des Bildgebers und eine ein Projektionsobjektiv
umfassende Projektionseinrichtung zum vergrößerten Abbilden des von dem
Bildgeber dargestellten Bildes auf den Projektionsschirm umfassen, wobei
die Beleuchtungseinheit zur Realisierung der zeitsequentiellen additiven
Farbmischung ein zeitlich variables Farbfilter – im folgenden dynamisches Farbfilter
genannt – zur
Erzeugung primärer
Farben enthält.
In der Regel ist der Bildgeber und/oder die Projektionseinrichtung
zum Einstellen der Lage des projizierten Bildes auf dem Projektionsschirm
in einer mit Justageelementen einstellbaren Position in oder an
dem Projektionsapparat befestigt.
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Man unterscheidet zwischen Auflicht-
und Rückprojektionsapparaten.
Ein Unterschied zwischen Auflichtprojektoren und Rückprojektionssystemen
besteht darin, daß in
Rückprojektionsapparaten zumeist
weitere optische Elemente wie Umlenkspiegel und Projektionsschirme
enthalten sind, die in Auflichtprojektoren nicht verwendet werden.
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Sowohl Auflicht- als auch Rückprojektionsapparate
dienen zum Anzeigen eines Bildes auf einem großflächigen Projektionsschirm. Der
Bildgeber kann dabei ein Durchlicht-Bildgeber sein, also ein Bildgeber,
der transmissiv von einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten
des Bildgebers durchleuchtet wird, oder ein reflektierender Bildgeber,
der von der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird. Nach dem Stand
der Technik werden beispielsweise Durchlicht-Flüssigkristall-Bildgeber oder
auch reflektive Polysilicium- oder Flüssigkristall-Bildgeber oder DMDs
(Trademark of Texas Instruments Inc., Digital-Micromirror-Device)
verwendet.
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Eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des
Bildgebers bzw. Durchleuchten des Durchlicht-Bildgebers umfaßt in der
Regel eine Lichtquelle, einen Reflektor und eine Kondensoroptik
mit einer oder mehreren Kondensorlinsen zum Ausleuchten des Bildgebers.
Auf die Kondensoroptik kann bei Verwendung eines fokussierenden,
z.B. elliptischen oder komplexeren Lampenreflektors verzichtet werden. Ferner
können
zusätzliche
Kondensoren oder Lichtdurchmischungseinrichtungen, beispielsweise
zum optimalen Ausleuchten eines rechteckigen Bildformates, vorgesehen
sein. Die Projektionseinrichtung bzw. die Beleuchtungseinheit ist
entweder in den Projektionsapparat integriert oder an diesem angesetzt. Ein
Projektionsapparat ist somit eine abgeschlossene, vollständige Einheit
zum Darstellen eines Bildes, wobei in einem Rückprojektionsapparat ein Bildschirm
zum Betrachten des Bildes integriert ist.
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Insbesondere Rückprojektionsmodule finden eine
breite Anwendung in Fällen,
in denen ein komplexes Bild, beispielsweise bestehend aus verschiedenen
Video- oder Com puterbildern, großflächig angezeigt werden soll.
Verbreitete Einsatzbereiche für solche
Rückprojektionsapparate
sind Bildwände,
die von mehreren Personen gleichzeitig betrachtet werden. Insbesondere
in der modernen Leitwartentechnik ist die Großbildrückprojektion verbreitet.
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Wenn das angezeigte Bild bei gegebenen Qualitätsanforderungen
eine bestimmte Größe und Komplexität überschreiten
soll, ist dies nicht mehr mit einem einzigen Rückprojektionsmodul möglich. In solchen
Fällen
wird das Bild aus Teilbildern, die jeweils von einem Rückprojektionsmodul
angezeigt werden, zusammengesetzt. Das jeweils von einem Rückprojektionsmodul
angezeigte Bild ist in diesem Fall ein Teilbild des von allen Rückprojektionsmodulen
zusammen angezeigten Gesamtbildes der Bildwand.
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Nach dem Stand der Technik ist es
möglich, eine
große
Anzahl von Rückprojektionsmodulen
in einem modularen Aufbau einer Projektionsbildwand aneinanderzureihen
und/oder übereinander
zu stapeln, um ein aus vielen einzelnen Teilbildern zusammengesetztes
Großbild
darzustellen. Die Anzahl der Rückprojektionsmodule,
die zu einer Projektionsbildwand zusammengesetzt werden, beträgt bis zu
150 oder mehr.
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Weitere Einzelheiten zu Rückprojektionsmodulen
sind dem Dokument
EP
0 756 720 B1 zu entnehmen, auf das hiermit bezug genommen
wird.
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Viele kommerziell erhältliche
Projektionsapparate, beispielsweise Video-Projektionseinrichtungen,
benutzen separate Kanäle
für jede
der drei Primärfarben.
Ein solches System erfordert für
jede Primärfarbe
einen Bildgeber und optische Strecken, die pixelgenau auf den Schirm
konvergieren müssen. Neuartige
Projektionsapparate ver wenden nur einen Bildgeber auf Basis der
zeitsequentiellen additiven Farbmischung, wobei das gesamte Bild
in drei einfarbige Teilbilder bezüglich der Grundfarben rot,
grün und
blau zerlegt wird. Der Bildgeber wird sequentiell mit den Primärfarben
beleuchtet. Dabei werden die darzustellenden Bilddaten entsprechend
der gerade den Bildgeber erreichenden Farbe an den Bildgeber geleitet.
Das Auge fügt
die farbigen Teilbilder zu einem einzigen Vollfarbenbild zusammen.
Das Auge fügt
ebenfalls aufeinanderfolgende Videobilder und Videoteilbilder zu
einem Vollbewegungsbild zusammen.
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Ein solches System erfordert eine
Einrichtung zum sequentiellen Beleuchten des Bildgebers mit primären Farben.
Die einfachste Einrichtung eines hierzu geeigneten dynamischen Farbfilters
ist ein sich drehendes Farbrad, das dazu dient, die gerade gewünschte Farbe
aus dem weißen
Spektrum einer Beleuchtungseinheit auszufiltern.
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Derartige Farbräder zum Ändern der Farbe des von der
Projektionslampe ausgekoppelten Lichtes werden im allgemeinen aus
dichroitischen Filtern hergestellt. Die Filter weisen aber herstellungsbedingt
Abweichungen in ihrer spektralen Filtercharakteristik auf, die sich
darin äußern, daß sich die
Kantenlagen der Filter unterscheiden. Infolge dessen gibt es Unterschiede
in der Wahrnehmung der Grundfarben sowie der Mischfarben.
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Die derzeit im Zusammenhang mit der zeitsequentiellen
Bilderzeugung verwendeten Bildgeber sind sogenannte Digital-Micromirror-Devices, die
beispielsweise in dem Patent
US
5,079,544 beschrieben sind. Sie umfassen eine Anordnung
kleiner bewegbarer Spiegel zum Ablenken eines Lichtstrahls entweder
zu der Projektionslinse (ein) oder weg von der Projektionslinse
(aus). Durch schnelles Ein- und Ausschalten der von den Spiegeln
dargestellten Pixel kann eine Grauskala erzielt werden. Die Verwendung von
DMDs zum Digitalisieren von Licht ist auch unter der Bezeichnung
DLP (Digital Light Processing) bekannt. Ein DLP-Projektionssystem
umfaßt
eine Lichtquelle, optische Elemente, Farbfilter, eine digitale Steuerung
und Formatierung, ein DMD und eine Projektionslinse.
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An Projektionsgeräte, insbesondere an modular
aus mehreren Projektionsgeräten
aufgebaute Bildwände,
werden in vielen Fällen
hohe Anforderungen gestellt, die aufgrund folgender technischer
Ursachen nach dem Stand der Technik nur unzureichend erfüllt werden
können:
– Die in
den unterschiedlichen Projektionsapparaten verwendeten Lampen, bei
denen es sich in vielen Anwendungen um Hochleistungslampen handelt,
haben eine unterschiedliche Grundhelligkeit. Dies erfordert einen
aufwendigen Abgleich der einzelnen Projektionsgeräte, um eine
einheitliche Darstellung auf einer Bildwand zu erzielen.
– Über die
Lebensdauer der Lampen ändert
sich der für
den Projektionsapparat ausnutzbare Lichtstrom der Lampen. Dieser
Alterungsprozeß ist
zudem lampenabhängig.
Dies erfordert einen wiederholten Helligkeitsabgleich der Projektionsapparate.
– Die Toleranzen
der Lampen können
zu unterschiedlichen Ausleuchtungsverteilungen auf dem Bildgeber führen, die
sich auch während
des Alterungsprozesses der Lampen verändern können.
– Die spektrale Zusammensetzung
des von den Lampen emittierten Lichtes zeigt Toleranzen, die einen Farbabgleich
der Projektionsgeräte
erfordern.
– Die
spektrale Zusammensetzung des von den Lampen emittierten Lichtes ändert sich über die
Lebenszeit der Lampe. Dies erfordert einen wiederholten Farbabgleich
der Projektionsapparate.
– Je
nach Typ der verwendeten Entladungslampe wird der Lichtstrom zur
Stabilisierung der Lage des Entladungsbogens zeitlich moduliert.
Dies führt
im Zusammenhang mit der zeitsequentiellen Farbmischung und auch
der digitalisierten Erzeugung von Helligkeitsstufen (Pulse Code
Modulation eines DMD) zu Interferenzen. Um dadurch entstehende Bildartefakte
zu unterdrücken,
muß die
Zeitabhängigkeit
des Lichtstroms überwacht
werden.
– Auch
Herstellungstoleranzen der sonstigen optischen Komponenten führen zu
Schwankungen des Lichtflusses auf der Projektionsfläche, was
einen Helligkeitsabgleich der Projektionsapparate erforderlich macht.
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Zur Lösung dieser hohen technischen
Anforderungen werden nach dem Stand der Technik verschiedene, aufwendige
Methoden eingesetzt, die jedoch die genannten Probleme nicht vollständig lösen:
– Die Lampen
werden in hohem Maße
selektiert, um minimale, nicht weiter unterschreitbare Fertigungstoleranzen
zu überwinden.
Dies ist aufwendig und mit hohen Kosten verbunden.
– Während der
Installation eines Projektionsapparates bzw. einer Bildwand und/oder
in festen Serviceintervallen wird ein Abgleich (Helligkeit und/oder
Farbe) durchgeführt.
Dabei wird die Helligkeitsverteilung auf dem Bildschirm vermessen
und/oder ein Farbabgleich mittels einer Vermessung der Primärfarben und
des Weißpunktes
auf dem Bildschirm durchgeführt.
Dies ist aufwendig und kostenintensiv, erfordert geschultes Personal
und bedingt eine Unterbrechung des laufenden Betriebes. Zwischen
den Serviceintervallen kann sich die Bildqualität verschlechtern.
– Im Falle
eines DMDs als Bildgeber wird gemäß dem Dokument
US 5,796,508 ein Sensor zum Nachweis des
im Off-Zustandes
reflektierten Lichtes verwendet. Dieser Nachweis des Lichtes im
Off-Zustand mittels eines Sensors muß über einen Eingriff auf den Bildinhalt
erzwungen werden. Durch das Erzwingen des Off-Zustandes kommt es
zu einer Veränderung bzw.
zu Störungen
des sichtbaren Bildes, so daß kein den
Bildinhalt nicht störender
Dauerbetrieb möglich ist.
– Es wird
ein Sensor außerhalb
des optischen Pfades zum Nachweis von Streulicht eingesetzt. Der
Nachweis von Streulicht hat jedoch den Nachteil einer nicht ausreichenden
Korrelation zwischen dem Meßsignal
und der tatsächlichen
Bildhelligkeit. Aufgrund des so entstehenden Kalibrierfehlers zeigen
die Module einer Bildwand nach wie vor sichtbare Helligkeitsunterschiede.
– Die Berücksichtigung
der auf Erfahrungswerten beruhenden mittleren Änderung des Lichtstromes während der
Betriebsdauer. Die Abweichung einzelner Lampen von einer mittleren
zeitabhängigen
Lichtstromänderung
sind jedoch so groß,
daß sie
ohne individuelle Korrektur zu sichtbaren Bildartefakten führen.
– Eine Bestimmung
des Lichtstromes durch eine Messung der Lampenleistung mittels elektrischer Messung
von Lampenstrom und Lampenspannung. Aber nur ein kleiner Teil der
verfügbaren
Lampentreiber erlaubt eine derartige elektrische Messung, und die
elektrische Leistung der Lampen ist nicht vollständig mit dem resultierenden
Lichtfluß des
Projektors korreliert.
– Eine
manuelle Eingabe einer zu berücksichtigenden
zeitabhängigen
Lichtstromänderung
durch die Benutzer. Dies erfordert jedoch eine entsprechende Schulung
des Benutzers und die Aufschaltung spezieller Bildinhalte, wodurch
der Dauerbetrieb gestört wird.
– Eine Farbkorrektur
durch Regelung der Lampenleistung gemäß dem Dokument WO 95/11572
zur Stabililsierung der optischen Leistung des Projektors. Eine
derartige Regelung der Lampenleistung bedeutet, daß die Lampe
mit variierender elektrischer Leistung betrieben würde. Dies
zieht bei den üblicherweise
verwendeten Hochleistungs-Entladungslampen eine unerwünschte Veränderung
des Farbtones und eine Verkürzung
der Lebensdauer der Lampe nach sich, was sich insbesondere für den Dauereinsatz
in Bildwänden
nachteilig auswirkt.
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Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses
Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine zufriedenstellende
Lösung
für den
Helligkeits- und/oder Farbabgleich bei eingangs genannten Projektionsapparaten
durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Projektionsapparat mit den Merkmalen des beigefügten unabhängigen Vorrichtungsanspruch
bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des beigefügten unabhängigen Verfahrensanspruch
gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen
Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
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Ein erfindungsgemäßer Projektionsapparat zum
Projizieren eines Bildes auf einen Projektionsschirm umfaßt also
einen pixelweise steuerbaren Bildgeber zum Darstellen des Bildes
in einem verkleinerten Maßstab,
eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des Bildgebers und eine
ein Projektionsobjektiv umfassende Projektionseinrichtung zum vergrößerten Abbilden
des von dem Bildgeber dargestellten Bildes auf den Projektionsschirm,
wobei die Beleuchtungseinheit ein dynamisches Farbfilter zur Erzeugung
primärer
Farben umfaßt,
und er weist erfindungsgemäß die Besonderheit
auf, daß er
ein optisches Auskoppelelement zum Aus koppeln eines Teils des von
der Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Bildgebers erzeugten
Lichtstromes, einen Sensor zum Messen der Intensität des von
dem optischen Auskoppelelement ausgekoppelten Lichtes, wobei die
von dem Sensor gemessene Intensität ein Maß für die Intensität der Beleuchtung
des Bildgebers ist, und eine Regeleinrichtung umfaßt, mittels der
die Helligkeit und/oder die Farbe des projizierten Bildes durch
Ansteuerung des Bildgebers oder durch Steuerung der Beleuchtungs-Lichtmenge
in Abhängigkeit
von dem Signal des Sensors geregelt wird.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regeln der
Helligkeit und/oder der Farbe des projizierten Bildes eines Projektionsapparates
zum Projizieren des Bildes auf einen Projektionsschirm umfassend
einen pixelweise steuerbaren Bildgeber zum Darstellen des Bildes
in einem verkleinerten Maßstab,
eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des Bildgebers und eine
ein Projektionsobjektiv umfassende Projektionseinrichtung zum vergrößerten Abbilden
des von dem Bildgeber dargestellten Bildes auf den Projektionsschirm,
wobei die Beleuchtungseinheit ein dynamisches Farbfilter zur sequentiellen Erzeugung
primärer
Farben umfaßt,
weist die Besonderheit auf, daß mittels
eines optischen Auskoppelelements ein Teil des von der Beleuchtungseinheit
zur Beleuchtung des Bildgebers erzeugten Lichtstromes ausgekoppelt
wird, durch einen Sensor die Intensität des von dem optischen Auskoppelelement
ausgekoppelten Lichtes gemessen wird, wobei die von dem Sensor gemessene
Intensität
ein Maß für die Intensität der Beleuchtung
des Bildgebers ist, und mittels einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit
von dem Signal des Sensors der Bildgeber geregelt angesteuert oder die
Beleuchtungs-Lichtmenge
geregelt wird.
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Mittels der Erfindung ist eine zuverlässige, individuelle
Toleranzen und Alterungsprozesse berücksichtigende Regelung der
Helligkeit und/oder der Farbe des projizierten Bildes in relativ
einfacher Weise möglich.
Die von dem Sensor ermittelte Intensität wird dem digitalen Bildprozessor
zugeführt,
der diese Werte bei der Ansteuerung des Bildgebers berücksichtigt,
um eine gleichmäßige Helligkeit
bzw. Farbe zu erzielen.
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Besondere praktische Vorteile der
Erfindung ergeben sich daraus, daß die Messung kontinuierlich durchgeführt werden
kann, so daß ein
Regelkreis mit einer kontinuierlichen Regelung ermöglicht wird.
Ferner ist es vorteilhaft, daß keine
zusätzlichen
Meßgeräte oder
Einsätze
geschulten Personals erforderlich sind, weil der Abgleich automatisch
im laufenden Betrieb erfolgen kann. Aus diesem Grund ist auch keine Störung oder
Unterbrechung des laufenden Betriebes erforderlich, und auch bei
der Verwendung von Beleuchtungseinrichtungen mit einem Doppellampenmodul
zur Gewährleistung
des unterbrechungsfreien Betriebs im Fall des Ausfalls einer Lampe durch
Umschalten auf die zweite Lampe ist der Abgleich sofort möglich.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß mittels
der Regeleinrichtung das projizierte Bild im laufenden Betrieb des
Projektionsapparates regelbar ist, d.h. unabhängig vom Bildinhalt, ohne Unterbrechung
oder Störung
des laufenden Betriebes, ohne daß ein Testbild projiziert werden
muß und daß eine Messung
des Lichtes nur auf der Beleuchtungsseite des Bildgebers erforderlich
ist.
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Mit der Erfindung werden somit Ziele
erreicht, um die die Fachwelt sich schon lange bemüht hat.
Um dabei besonders gute Ergebnisse erzielen zu können, werden bevorzugt die
nachfolgenden Maßnahmen
einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt.
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Als Bildgeber bei der zeitsequentiellen
additiven Farbmischung wird bevorzugt ein Digital-Micromirror-Device
(DMD) verwendet. Es sind aber auch andere, beispielsweise eingangs
genannte Bildgeber im Rahmen der Erfindung verwendbar.
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Das dynamische Filter zur zeitsequentiellen Erzeugung
von Primärfarben
ist vorteilhafterweise ein Farbrad. Andere, derzeit oder künftig verfügbare entsprechende
Einrichtungen können
jedoch im Rahmen der Erfindung ebenfalls verwendet werden.
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Zur Erzielung einer homogenen oder
homogenisierten Ausleuchtung ist es vorteilhaft, wenn der Projektionsapparat
eine räumliche
Lichtmischeinrichtung zum Ausgleichen örtlicher Unterschiede in der Helligkeitsverteilung
umfaßt.
Bevorzugt kommt hierbei eine räumliche
Lichtmischeinrichtung zum Einsatz, die sich in Ausbreitungsrichtung
des Lichtes erstreckt, insbesondere ein Lichtmischstab. Lichtmischstäbe sind
im Stand der Technik bekannt. Bekannte Ausführungsformen umfassen z.B.
Hohlmischstäbe
(siehe z.B.
US 5,625,738 )
und Vollmischstäbe
(siehe z.B.
DE 10103099
A1 ).
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
bestehen darin, daß das
Auskoppelelement im Beleuchtungspfad zwischen der Beleuchtungseinrichtung und
dem Bildgeber angeordnet ist, vorzugsweise zwischen dem Ausgang
der räumlichen
Lichtmischeinrichtung und dem Bildgeber. Hier ist die günstigste Stelle
zur Gewinnung der erforderlichen Information über die Intensität und spektrale
Zusammensetzung des Lichtes.
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Das Auskoppelelement kann auf verschiedene
Weise realisiert werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist ein teildurchlässiger,
vorzugsweise farbneutraler Spiegel, der zur Vermeidung hoher Lichtverluste
vorteilhafterweise weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 2% des
Lichtes zu dem Sensor auskoppelt.
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Der Sensor kann ein einfacher Sensor
sein, der ein bloßes
Helligkeitssignal liefert, das eine integrale Information über die
Beleuchtung des Bildgebers beinhaltet. In anderen Ausführungsformen
kann zur Gewinnung einer Information über die Homogenität der Ausleuchtung
des Bildgebers ein zweidimensional ortsauflösender Sensor bzw. zur Gewinnung einer
spektralen Information der Sensor ein spektral auflösender Sensor
sein. Alle drei Sensorausführungen
können
mit dem dynamischen Farbfilter zur Trennung der Primärfarbanteile
synchronisiert sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin
beschriebene Besonderheiten können
einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung von Komponenten eines erfindungsgemäßen Projektionsapparates,
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2 Einzelheiten
zu 1,
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3 eine
Abwandlung zu 2,
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4 ein
TIR-Prisma ohne Rückreflektion,
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5 ein
TIR-Prisma mit Rückreflektion,
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6 ein
Farbrad,
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7 den
zeitlichen Verlauf der Sensorsignale zu 6,
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8 Sensor-Steuerpulse
zu 7,
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9 den
zeitlichen Verlauf der Intensität
einer Entladungslampe mit Stabilisierungspuls,
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10 den
zeitlichen Verlauf des Sensorsignals zu 9 und
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11 Sensor-Steuerpulse
zu 10.
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1 zeigt
die optischen Komponenten eines erfindungsgemäßen Projektionsapparates 1.
Er umfaßt
eine Beleuchtungseinheit 2 mit einer Lampe 3 als
Lichtquelle, vorzugsweise einer Entladungslampe, und einer Kondensoroptik 4.
Im Strahlengang folgt ein dynamisches Farbfilter 5 in Form
eines Farbrades 6 und eine räumliche Lichtmischeinrichtung 7 in
Form eines sich in Ausbreitungsrichtung des Lichtes erstreckenden
Lichtmischstabes 8. Das am Lichtmischstab 8 austretende
Licht wird mittels einer Abbildungsoptik 9, die auch als
Relay-Optik bezeichnet wird, in die Ausleuchtungsebene 10 eines
Bildgebers 11 abgebildet.
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Das von dem Bildgeber 11 erzeugte
Bild wird mittels eines Projektionsobjektives 12 einer
Projektionseinrichtung vergrößert auf
einen nicht dargestellten Projektionsschirm abgebildet, projiziert
also das vom Bildgeber 11 in Transmission oder Reflektion
erzeugte Bild auf einen nicht dargestellten Projektionsschirm. In
einem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung ist der Projektionsapparat 1 ein
Rückprojektionsapparat,
und das von dem Projektionsobjektiv 12 projizierte Bild
ist ein Teilbild einer mehrere Projektionsapparate oder Rückprojektionsapparate
enthaltenden Bildwand.
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Das projizierte Bild wird mittels
des Verfahrens der zeitsequentiellen Mischung aus aufeinanderfolgenden
monochromen Teilbildern in den Primärfarben rot, grün und blau
aufgebaut. Die Sequenz kann auch ein viertes Teilbild in schwarz/weiß enthalten,
daß zur
Erhöhung
der Bildhelligkeit zugemischt wird. Die Sequenz der Teilbilder folgt
in einer ausreichend hohen Geschwindigkeit, so daß das Auge
dem Farbwechsel nicht folgen kann und eine physiologische Farbmischung
stattfindet.
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Das Farbrad 6 dient dazu,
aus dem weißen Licht
der Lampe 3 die Primärfarben
rot, grün
und blau zur Ausleuchtung des Bildgebers 11 zu erzeugen. Der
Bildgeber 11 ist vorzugsweise ein DMD. Bei entsprechender
Synchronisierung kann der Bildgeber 11 die monochromen
Teilbilder erzeugen, die von dem Auge des Betrachters des projizierten
Bildes zusammengesetzt werden.
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Das Licht der Lampe 3 wird
mittels der Kondensoroptik 4 auf den Eintritt des Lichtmischstabes 8 fokussiert.
Das sich drehende Farbrad 6 weist unterschiedlich farbige
Segmente in den Primärfarben
auf, die je nach Drehstellung des Farbrades 6 die Spektralanteile
der Lampe 3 entsprechend dem gerade im Strahlengang befindlichen
Farbfilter transmittieren. Der Lichtmischstab 8 sorgt für eine Homogenisierung der
Ausleuchtung, und die Abbildungsoptik 9 bildet die Lichtverteilung
am Ausgang des Lichtmischstabes 8 auf den Bildgeber 11 ab.
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Die Grundhelligkeit des projizierten
Bildes, d.h. die Helligkeit eines Bildes bei vollweißem Bildinhalt,
hängt von
der Leuchtdichte am Ort des Bildgebers 11 ab. Aufgrund
der eingangs genannten Probleme ist es daher gewünscht, die Leuchtdichte am Ort
des Bildgebers 11 zu kennen. Ferner kommt es durch Alterungsprozesse
der Lampe
3 zu Verschiebungen der Intensitätsverhältnisse
zwischen den Spektralanteilen der Primärfarben. Infolge dessen ändert sich
der Farbton der weißen
Mischfarbe im Laufe der Zeit, d.h. über einen Zeitraum von mehreren
Stunden oder Tagen. Eine Messung der spektralen Zusammensetzung
des Lichtes und eine daraus abgeleitete Korrektur der Farbmischung,
so daß effektiv
keine Verschiebung des Weißpunktes
feststellbar ist, wird daher ebenfalls angestrebt. Beide Aspekte
können
mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
eines Projektionsapparates 1 erzielt werden.
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Hierzu ist erfindungsgemäß ein optisches Auskoppelelement 13 zum
Auskoppeln eines Teils des von der Beleuchtungseinheit 3 zur
Beleuchtung des Bildgebers 11 erzeugten Lichtstromes vorgesehen.
Vorzugsweise ist das Auskoppelelement 13 im Beleuchtungspfad
zwischen der Lampe 3 und dem Bildgeber 11 angeordnet,
insbesondere zwischen dem Ausgang der räumlichen Lichtmischeinrichtung 7 und
dem Bildgeber 11. In 1 ist
das Auskoppelelement 13 ein teildurchlässiger, vorzugsweise farbneutraler
Spiegel 14, der vorzugsweise weniger als 5% und bevorzugt
weniger als 2% des Lichtes auskoppelt. Der Transmissionsgrad ist
also vorzugsweise kleiner als 5% und bevorzugt kleiner als 2% und die
Reflektivität
vorzugsweise größer als
95% und bevorzugt größer als
98%.
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Das von dem Spiegel 14 ausgekoppelte
Licht wird von einem Sensor 15 gemessen, so daß die von dem
Sensor 15 gemessene Intensität ein Maß für die Intensität der Beleuchtung
des Bildgebers 11 ist. Das Signal des Sensors 15 kann
also einer Regeleinrichtung zugeführt werden, mittels der die
Helligkeit des projizierten Bildes durch Ansteuerung des Bildgebers 11 in
Abhängigkeit
von dem Signal des Sensor 15 geregelt wird. Wenn der Sensor 15 auf
die jeweils aktiven Farbsegmente des Farbrades 6 syn chronisiert wird,
läßt sich
auch die Intensität
der Primärfarben messen.
Diese Information steht dann der Elektronik des Projektionsapparates 1 zur
Verfügung,
und mittels geeigneter Algorithmen läßt sich aus dem Meßsignal
des Sensors 15 eine Korrektur der Farbmischung durchführen, so
daß bei
einer Änderung
der spektralen Zusammensetzung des von der Lampe 3 emittierten
Lichtes effektiv keine Verschiebung des Weißpunktes des projizierten Bildes
feststellbar ist.
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Mit der Regeleinrichtung kann jedoch
nicht nur der Bildgeber 11 angesteuert werden. Alternativ oder
zusätzlich
kann vorgesehen sein, daß die
Beleuchtungs-Lichtmenge auf andere Weise von der Regeleinrichtung
in Abhängigkeit
von dem Signal des Sensors 15 geregelt wird. Hierfür kommen
alle bekannten und geeigneten Methoden in Betracht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung
zur Regelung der Beleuchtungs-Lichtmenge kann darin bestehen, daß ein variabler
Intensitätsabschwächer verwendet
wird, der in unmittelbarer Nähe
der Fokalabene eines fokussierenden Lampenreflektors angeordnet
ist. Weitere Einzelheiten dieser Ausbildung sind in der gleichzeitig
eingereichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin (Titel "Helligkeitsregelung
eines Projektionsapparates",
Anwaltszeichen SEC 109/00/DE) beschrieben, die insoweit vollinhaltlich
in Bezug genommen wird.
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Um eine Grundeinstellung oder Grundkalibrierung
des Projektionsapparates 1 zu erzielen, kann vorgesehen
sein, daß Ausgangswerte
der spektralen Eigenschaften der Beleuchtungsquelle bzw. der Lampe 3 der
Beleuchtungseinheit, des dynamischen Farbfilters 5 und
des Sensors 15 sowie gegebenenfalls der räumlichen
Lichtmischeinrichtung 7, des Abbildungsobjektives 9 und
des optischen Aus koppelelements 13 vermessen und von der
Regeleinrichtung berücksichtigt
werden. Eine solche Vermessung von Ausgangswerten kann beispielsweise
bei der Installation des Projektionsapparates 1, während einer Servicemaßnahme oder
im Falle eines Lampentausches durchgeführt werden.
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Um eine möglichst hohe Korrelation der räumlichen
Lichtverteilung am Sensor 15 und der Ausleuchtungsebene 10 des
Bildgebers 11 zu erzielen, wird nach einem vorteilhaften
Merkmal vorgeschlagen, daß der
Sensor 15 in einer optischen Ebene angeordnet ist, die
zu der Ausleuchtungsebene 10 des Bildgebers 11 korrespondiert,
d.h. daß die
Ausleuchtungsebene 10 des Bildgebers 11 und die
Ausleuchtungsebene 16 des Sensors 15 optisch korrespondieren,
wobei sie nach einem zusätzlichen
bevorzugten Merkmal das Abbild des Ausgangs der räumlichen
Lichtmischeinrichtung 7 enthalten.
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Die einfachste Lösung zur Realisierung dieser
Merkmale bestünde
darin, den Sensor in gleicher optischer Entfernung zu dem Spiegel 14 zu
positionieren wie den Bildgeber 11. Um einen kompakteren Aufbau
des Projektionsapparates 1 zu erzielen, ist nach einem
zusätzlichen
vorteilhaften Merkmal eine Sensoroptik 17 vorgesehen. Sie
hat eine positive Brechkraft und erzeugt eine verkleinerte Abbildung des
Ausgangs des Lichtmischstabes 8 bei verkürzter optischer
Lauflänge.
Ferner ist es dadurch möglich, die
Bildgröße des Lichtmischstabes 8 auf
die Größe des Sensors 15 anzupassen,
so daß auf
dem Sensor 15 ein verkleinertes Abbild des Ausleuchtungsmusters
des Bildgebers 11 erzeugt wird.
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Die 2 zeigt
Einzelheiten des Strahlenganges aus 1.
Wenn der Sensor 2 ein einfacher, unstrukturierter, ein
Helligkeitssignal liefernder Sensor ist, kann mit ihm die integrale
Helligkeit und integrale spektrale Zusammensetzung des Lichtes vermessen
werden. Wird dagegen ein ortsauflösender Sensor 15,
beispielsweise ein CCD verwendet, kann auch die Homogenität der Ausleuchtung,
d.h. die Homogenität
der Helligkeit des auf den Bildschirm projizierten Bildes vermessen
werden. Gemäß einer
anderen oder zusätzlichen
Ausbildung kann der Sensor 15 auch ein spektral auflösender Sensor
sein.
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In 3 ist
ein dem 2 entsprechender Aufbau
dargestellt, der zusätzlich
eine den Sensor 15 umgebende Abschirmung 18 umfaßt. Um eine
störungsfreie
Funktionsweise des Sensors 15 und der aus seinen Signalen
abgeleiteten Regelung des Bildgebers 11 zu ermöglichen,
ist es vorteilhaft, wenn das von dem Sensor 15 nachgewiesene
Signal weitestgehend unabhängig
von äußeren Einflüssen wie
zum Beispiel Umgebungslicht ist. Dies läßt sich durch die Abschirmung 18 erreichen.
Daneben wird auch die Unabhängigkeit
von dem momentan projizierten Bildinhalt gefordert.
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Dies ist allerdings nicht automatisch
erfüllt, wie
anhand der
4 und
5 am Beispiel eines Bildgebers
11 in
Form eines DMD mit einem TIR-Prisma
20 dargestellt ist.
TIR steht für "Total Internal Reflection"; zu näheren Einzelheiten
wird auf das Dokument
US 5,552,922 verwiesen.
Das TIR-Prisma
20 dient der einfachen räumlichen Trennung zwischen einfallendem
Licht und vom DMD reflektierten Licht. Die Trennung beider Komponenten
erfolgt dabei durch die im unteren Prisma auftretende Totalreflexion.
Das einfallende Licht wird total reflektiert und das vom DMD reflektierte
Licht erfüllt
die Bedingung zur Totalreflexion gerade nicht mehr. Es transmittiert
zur Kompensation optische Aberrationen durch das zweite Teilprisma.
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Der Durchgang des ON-Zustandes 21 durch die
beiden Grenzflächen
am Luftspalt zwischen beiden Prismenhälften ist allerdings trotz
Antireflexionsbeschichtung stets mit Fresnellschen Verlusten verbunden.
Dies bedeutet, daß ein
Teil des Lichts des ON-Zustandes 21 zurück in Richtung des Lichtmischstabes 8 reflektiert
wird. Für
den Off-Zustand 22 ist dagegen
dieser Effekt weitaus schwächer,
und zwar aus geometrischen Gründen
und aufgrund der Tatsache, daß die
auftretenden Winkel zwischen Lichtrichtung und Grenzfläche deutlich
weiter von dem Winkel der Totalreflexion entfernt sind als für den ON-Zustand 21.
Die Fresnellschen Verluste sind also geringer.
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Die rückreflektierte Lichtmenge hängt also vom
Bildinhalt ab; bei einem dunklen Bild wird weniger Licht zurückreflektiert
und bei einem hellen Bild mehr. Vergleichbare Rückreflexionen 19 können auch
bei anderen Bauarten von Bildgebern, beispielsweise bei Flüssigkristallanzeigen,
auftreten.
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Wenn in 3 der Sensor 15 ohne eine vorgeschaltete
Sensoroptik 17 in unmittelbarer Nähe hinter dem Spiegel 14 angeordnet
wäre, wäre eine Trennung
zwischen vorwärts
verlaufendem Licht und Rückreflexionen 19 nicht
möglich.
Die Sensoroptik 17 dient in diesem Fall also nicht nur
der Abbildung des Lichtmischstabes 8 auf den Sensor 15,
sondern zusammen mit der Abschirmung 18 auch der Unterdrückung von
Störungen
des Sensors 15 infolge von Rückreflexionen 19 vom
Bildgeber 11. Die Rückreflexionen 19 werden
dabei durch die Sensoroptik 17 auf eine Stelle außerhalb
des Sensors 15 abgebildet und absorbiert.
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Bei dem bisher beschriebenen Aufbau
eines erfindungsgemäßen Projektionsapparates 1 ergibt sich
ein Meßsignal
des Sensors 15, das sich synchron zur Rotation des Farbrades 6 ändert. Dies
erklärt
sich durch die für
die Primärfarben
unterschiedliche Empfindlichkeit des Sensors 15. Die 6 veranschaulicht ein typisches
Farbrad 6 für
einen DMD- bzw. DLP-Projektionsapparat mit einer typischen Farbradsequenz
rot-grün-weiß-blau.
Die Lage des Eingangs des Lichtmischstabes 8 auf dem Farbrad 6 und
die Ausleuchtung des Lichtmischstabes 8 sind in 6 ebenfalls veranschaulicht.
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Die Farben rot und blau ergeben dabei
typischerweise ein schwächeres
Signal, weiß das
stärkste.
Im Übergangsbereich
zwischen den einzelnen Segmenten des Farbrades 6 ergibt
sich ein Abfall bzw. Anstieg des Signales zum nächsten Signalniveau hin. In 7 ist der Verlauf des Sensorsignals
I als Funktion der Zeit t während
einer Periode T des Farbrades 6 dargestellt. Die sich dabei
ergebende Kantensteilheit hängt
von dem optischen Design des Projektionsapparates, d.h. dem Abstand
des Farbrades 6 zum Brennpunkt und der Größe des Brennpunkts
ab.
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Um eine undefinierte Auswertung der
Signale des Sensors 15 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn
der Sensor 15 stets nur während eines Segmentes des Farbrades 6 aktiviert
ist, d.h. daß der Sensor 15 mittels
eines Taktsignals des dynamischen Farbfilters 5 so gesteuert
wird, daß er
die zu den Primärfarben
und eventuellen farbneutralen Anteilen gehörende Lichtintensitäten getrennt
ermittelt. Dies kann in der Weise durchgeführt werden, daß Zeitmeßfenster
definiert werden, die den Beitrag aus mehreren Segmenten und aus
den Übergangsbereichen
unterdrücken.
Dies ist durch eine Gate- und Delay-Elektronik möglich, die ihrerseits durch
den Taktgeber des Farbrades 6 bzw. des dynamischen Farbfilters 5 synchronisiert
wird. Auf diese Weise lassen sich in 8 dargestellte
Sen sor-Steuerpulse P erzeugen, die synchron zum Auftreten der entsprechenden
Farbsegmente verlaufen.
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Nach einem weiteren vorteilhaften
Merkmal kann vorgesehen sein, daß die Intensität des von
der Beleuchtungseinheit 2 erzeugten Lichtes zeitlich veränderlich
ist und die Auswertung der Signale des Sensors 15 diese
zeitliche Veränderung
berücksichtigt
oder erfaßt.
Eine derartige zeitliche Veränderung der
Intensität
kann beispielsweise auf einem der Lampe 3 der Beleuchtungseinheit 2 zugeführten Stabilisierungspuls
beruhen, so daß die
Intensitätsänderung
der Lampe 3 aufgrund des Stabilisierungspulses mittels
des Sensors 15 erfaßt
und in der Regeleinrichtung berücksichtigt
wird.
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Insbesondere bei Entladungslampen
ist es bekannt, mittels des Lampentreibers einen kurzzeitigen Anstieg
des Lampenstromes auszulösen.
Dies erfolgt typischerweise mit einer Pulsrate von 50 bis 250 Hertz
und ist somit in dem projizierten Bild nicht sichtbar. Die Stabilisierungspulse
dienen der Stabilisierung der örtlichen
Lage des Entladungsbogens in der Entladungslampe und damit der Stabilisierung der
räumlichen
Helligkeitsverteilung des projizierten Bildes.
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Allerdings muß die Dauer der Stabilisierungspulse
und ihre Höhe
bzw. die von ihnen verursachte Intensitätsänderung der Lampe bei der sequentiellen
Bilderzeugung berücksichtigt
und korrigiert werden. Bei der Berechnung der Farbmischung muß dieser
Parameter dem Bildgeber 15 bzw. dessen Ansteuerelektronik
bekannt sein, damit sie berücksichtigt
und korrigiert werden können.
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In der Praxis stellt sich jedoch
zumeist das Problem, daß nur
die Dauer der Stabilisierungspulse innerhalb geringer Schwankungsgrenzen
eine fest definierte Größe ist.
Die durch die Stabilisierungspulse ausgelöste Intensitätsänderung
der Lampe 3 unterliegt dagegen größeren produktionstechnischen Schwankungen
und zeigt während
des Alterungsprozesses einer Lampe 3 eine deutliche Änderung.
Daraus resultiert die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Messung
der Peakintensität
Ipk der Lampe 3 bezogen auf die
Plateauintensität
Ipl der Lampe 3 außerhalb
eines Stabiliserungspulses.
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In 9 ist
dargestellt, wie sich die Intensität IL der
Lampe 3 beim Anlegen eines Stabilisierungspulses 23 ändert. In 10 ist entsprechend dazu die Änderung
des Sensorsignals I veranschaulicht. Dabei wird angenommen, daß der Stabilisierungspuls 23 mit
der Drehung des Farbrades 6 synchronisiert ist, so daß der Stabilisierungspuls 23 genau
im farbneutralen Weißsegment
erscheint. Durch die erhöhte
Lichtintensität
zeigt das Sensorsignal I an der entsprechenden Stelle eine Überhöhung gegenüber dem
Signal, das sich ohne Stabilisierungspuls 23 ergeben würde.
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Eine kontinuierliche Messung des
Verhältnisses
Ipk/Ipl während eines
längeren
Zeitraums der Alterung der Lampe 3, beispielsweise im Abstand
von Stunden oder Tagen, kann nun beispielsweise mittels der Messungen
der Sensorsignale I während
des Grünsegmentes
und während
des Stabilisierungspulses 23 erfolgen. Es ergibt sich Ipk/Ipl = k·IWeißpuls/Igrün, wobei
die Konstante k = IWeißpuls/Igrün einmalig
mit den gleichen zeitlichen Meßfenstern,
aber ohne Stabilisierungspuls 23 bestimmt wird. Sie enthält die spektrale
Empfindlichkeit des Sensors 23 und die spektralen Eigenschaften
des Farbrades 6 sowie der restlichen optischen Komponenten.
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Die auf diese Weise gewonnenen Informationen
kann die Regeleinrichtung zum Steuern des Bildgebers 11 zur
Erzielung einer gleichmäßigen Helligkeit
und/oder eines konstanten Farbortes berücksichtigen. Dies ist gegenüber einer
nach dem Stand der Technik bekannten festen Vorgabe eines bestimmten
Wertes für
den Einfluß des
Stabilisierungspulses 23 genauer.
-
- 1
- Projektionsapparat
- 2
- Beleuchtungseinheit
- 3
- Lampe
- 4
- Kondensoroptik
- 5
- Dynamisches
Farbfilter
- 6
- Farbrad
- 7
- räumliche
Lichtmischeinrichtung
- 8
- Lichtmischstab
- 9
- Abbildungsoptik
- 10
- Ausleuchtungsebene
zu 11
- 11
- Bildgeber
- 12
- Projektionsobjektiv
- 13
- optisches
Auskoppelelement
- 14
- Spiegel
- 15
- Sensor
- 16
- Ausleuchtungsebene
zu 15
- 17
- Sensoroptik
- 18
- Abschirmung
- 19
- Rückreflexionen
- 20
- TIR-Prisma
- 21
- ON-Zustand
- 22
- Off-Zustand
- 23
- Stabilisierungspuls
- I
- Sensorsignal
- IL
- Lampenintensität
- Ipk
- Peakintensität
- Ipl
- Plateauintensität
- P
- Sensor-Steuerpuls
- T
- Periode
- t
- Zeit